1、序言

鈦合金材料具有比強(qiáng)度高、耐蝕性和耐熱性好等性能優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備等國防工業(yè)和石油化工、生物醫(yī)療等民用領(lǐng)域。由于鈦合金具有熱導(dǎo)率低、高溫化學(xué)活性高和彈性模量小等特點，在切削加工過程中存在切削溫度高、切削變形和冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重及易粘刀等現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具易磨損且表面加工質(zhì)量差，使鈦合金成為典型的難加工材料[1]。同時，鈦合金構(gòu)件常用的輕量化設(shè)計特點使材料去除量大，目前鈦合金加工時采用的低切削用量嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率的提升，造成制造成本的升高。因此，實現(xiàn)鈦合金構(gòu)件的高質(zhì)高效切削加工成為制造業(yè)亟需突破的關(guān)鍵共性技術(shù)難題。

作為切削加工工藝研究體系中的核心要素，刀具技術(shù)的發(fā)展可為切削加工技術(shù)帶來新的變革。為實現(xiàn)鈦合金構(gòu)件的高質(zhì)高效切削加工，需要科學(xué)選用或設(shè)計開發(fā)高性能切削刀具，相關(guān)技術(shù)包括刀具材料與刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計、刀具涂層制備、刀具切削參數(shù)優(yōu)選、刀具加工狀態(tài)監(jiān)控及切削數(shù)據(jù)庫開發(fā)等，如圖1所示。

圖1 鈦合金高質(zhì)高效切削加工刀具技術(shù)

工件材料切削加工性研究是開發(fā)高性能切削刀具的基礎(chǔ)。基于材料切削去除機(jī)理分析，結(jié)合動態(tài)力學(xué)性能測試、切削試驗與數(shù)值仿真等手段，對鈦合金切削過程熱-力載荷耦合作用、材料切除變形與失效機(jī)制、刀-屑和刀-工界面的接觸與摩擦學(xué)行為等進(jìn)行理論建模及試驗和仿真研究，可揭示影響鈦合金切削加工性的主導(dǎo)因素，有助于指導(dǎo)鈦合金高質(zhì)高效切削刀具的設(shè)計制造及選用。

在刀具材料設(shè)計方面，進(jìn)行鈦合金與刀具材料力學(xué)性能和理化性能的匹配性分析，建立鈦合金切削加工刀具-工件作用的材料學(xué)及熱力學(xué)研究體系，通過切削試驗和仿真模擬探索鈦合金切削過程中刀具的磨損規(guī)律并揭示刀具磨損機(jī)理，進(jìn)而設(shè)計與優(yōu)選適于鈦合金高質(zhì)高效加工的刀具材料體系。

在刀具涂層制備方面，包括新型刀具涂層材料設(shè)計選用和刀具涂層制備工藝，需針對鈦合金的高化學(xué)活性特點，選用兼具減摩、耐磨與熱障作用的涂層材料，并開發(fā)相應(yīng)的涂層制備工藝和設(shè)備。同時，開發(fā)涂層刀具微噴砂和深冷處理等表面后處理工藝，改善刀具刃口微幾何結(jié)構(gòu)和涂層表層材料的微觀組織，實現(xiàn)涂層刀具刃口和表層力學(xué)性能的協(xié)同強(qiáng)化。

在刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，根據(jù)鈦合金加工工藝特點和技術(shù)要求，開發(fā)鈦合金加工特殊刃型刀具（如Wiper刀片）、整體超硬材料及密齒結(jié)構(gòu)刀具等，可以實現(xiàn)其高效率切除與高表面質(zhì)量加工。在刀具切削參數(shù)優(yōu)選方面，可根據(jù)鈦合金表面加工質(zhì)量、加工效率與加工成本等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，優(yōu)化切削參數(shù)，實現(xiàn)鈦合金高質(zhì)高效加工。同時，開發(fā)刀具加工狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)并建立切削加工數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)加工過程狀態(tài)監(jiān)控和工藝參數(shù)的智能推送等功能，助推智能制造的發(fā)展和工程化應(yīng)用。

2、鈦合金切削刀具材料

在切削加工過程的高溫影響下，鈦元素具有高的化學(xué)活性，如何避免鈦合金與刀具材料元素之間的劇烈粘結(jié)擴(kuò)散，是選擇鈦合金加工刀具以及刀具材料設(shè)計時需考慮的首要因素。

鎢鉆類硬質(zhì)合金（YG類，即ISO標(biāo)準(zhǔn)的K類，由WC和Co構(gòu)成）是加工鈦合金常用的刀具材料。研究對比YG、YT、YW三種硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金時的刀具磨損機(jī)理[2]，發(fā)現(xiàn)低速切削時三類刀具均以粘結(jié)磨損為主，高速切削時YG類刀具仍以粘結(jié)磨損為主，但YT類刀具在粘結(jié)磨損的同時伴隨產(chǎn)生一定的氧化磨損和擴(kuò)散磨損，YW類刀具則是三種磨損機(jī)理占據(jù)同等地位，因此在低速切削鈦合金時可優(yōu)先選用YG類硬質(zhì)合金刀具，高速切削時可選用YW類或YG類硬質(zhì)合金刀具。除了與刀具中的Co含量有關(guān)外，影響鈦合金切削刀具性能的另一主要因素是晶粒度，細(xì)化且均勻分散的WC硬質(zhì)相和Co粘結(jié)相可增大兩相粘結(jié)面積，不僅有助于提高硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，同時還可保證硬質(zhì)合金的高硬度和良好的耐磨性。當(dāng)WC晶粒的平均尺寸在0.8～1.4μm時，鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具表現(xiàn)出較好的抗磨損性能[3]。

采用普通晶粒尺寸的硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金時刀具壽命通常較短，導(dǎo)致切削速度只能在低于50m/min范圍選取，加工效率較低。肯納刀具推出的由細(xì)晶粒碳化鎢（含鈷6%）組成的K313材質(zhì)基體，兼具高的熱硬度和良好的抗塑性變形能力，有效保證了刀具韌性和均勻的后刀面磨損，在精加工階段切削速度在100m/min左右時刀具仍具有正常的加工壽命。山特維克可樂滿H13A（HW）和伊斯卡IC20非涂層硬質(zhì)合金刀具材料具有良好的抗粘結(jié)磨損性和高韌性，適用于航空工業(yè)鈦合金零部件加工。

超硬刀具材料如聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金剛石（PCD）可以實現(xiàn)鈦合金材料的高速、高精度和高穩(wěn)定性加工。對比分析不同刀具材料在高速車削鈦合金時的磨損差異，包括未涂層硬質(zhì)合金、TiAlN PVD涂層硬質(zhì)合金以及PCBN等，發(fā)現(xiàn)PCBN刀具材料在高切削速度、低進(jìn)給量、低背吃刀量下切削鈦合金時可以獲得較平穩(wěn)的切削力和較低的加工表面粗糙度值[4]；PCD刀具在切削速度為200m/min以上加工鈦合金時，仍然可以保持較好的刀具使用壽命和加工表面質(zhì)量。因此，PCBN和PCD等超硬刀具材料適用于鈦合金的精加工和高速加工。

3、刀具涂層工藝

開發(fā)適于鈦合金加工的涂層刀具有助于提升加工效率和延長刀具壽命。刀具涂層材料具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化和熱導(dǎo)率低等特性，相比未涂層刀具可以提高刀具壽命3～5倍以上，提高切削速度20%～100%，提高加工精度0.5～l級，并可大幅降低刀具成本[5]。

通過對比物理氣相沉積PVD涂層（TiN+TiAlN）硬質(zhì)合金刀具和化學(xué)氣相沉積CVD涂層（TiN+Al2O3+TiCN）硬質(zhì)合金刀具的鈦合金高速銑削性能，發(fā)現(xiàn)PVD涂層刀具的使用壽命大于CVD涂層刀具，表現(xiàn)出更優(yōu)異的切削性能[6]。森拉天時的CTC5240刀片通過結(jié)合高粘結(jié)性細(xì)晶WC基體與超薄PVD涂層，在鈦合金高效加工中表現(xiàn)出良好的耐磨性和使用壽命。對于新型單涂層材質(zhì)，硬質(zhì)薄膜材料CrN涂層和Al2O3涂層具有優(yōu)異的耐磨損性能和抗氧化附著能力，可適用于鈦合金等難加工材料切削。瓦爾特刀具利用PVD涂層方法在刀具基體上沉積Al2O3硬質(zhì)鍍層，該涂層制備工藝熱載荷小，可在提高刀片韌性的同時保持Al2O3鍍層的高硬度、良好耐熱性和耐磨損等性能，減少了出現(xiàn)積屑瘤的傾向，適合鈦合金高速加工。此外，AlCrN、CrSiN和AlCrSiN等涂層亦適用于鈦合金加工，研究表明高速干切削鈦合金時，AlCrSiN涂層刀具的切削壽命超過無涂層刀具，切削力、切削溫度和加工表面粗糙度指標(biāo)均優(yōu)于無涂層刀具[7]。近年來，MoS2和WS2等軟涂層刀具也為鈦合金加工提供了新的選擇。

刀具涂層后處理技術(shù)可以進(jìn)一步提升刀具的切削性能。以PVD TiAlN涂層刀具為例，通過對TiAlN涂層進(jìn)行干式微噴砂強(qiáng)化后處理，并基于斷裂力學(xué)理論分析噴砂時間和噴砂壓強(qiáng)對刀具涂層表面粗糙度和表層硬化深度的影響，證明微噴砂后處理工藝可以顯著改善TiAlN涂層的表面完整性，使涂層顯微硬度較微噴砂處理前提高15%以上，從而提高涂層刀具的耐磨損性能并延長使用壽命[8]。利用濕式微噴砂對CVD TiN/A12O3涂層刀具進(jìn)行后處理，發(fā)現(xiàn)噴砂時間、磨料類型和磨粒直徑等微噴砂工藝參數(shù)對涂層刀具幾何形貌、力學(xué)性能及使用壽命具有重要影響，經(jīng)過微噴砂后處理可有效去除涂層表面的大顆粒缺陷，降低刀具涂層表面粗糙度值，使刀具平均壽命提高27.5%[9]。

深冷處理可以通過改變刀具材料的微觀組織而改善其力學(xué)性能，近年來被逐漸嘗試應(yīng)用于刀具后處理強(qiáng)化。通過研究深冷處理對TiAlN涂層刀具微觀組織及力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)深冷處理后硬質(zhì)合金基體中η相碳化物的含量顯著增加，有利于提升涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度以及基體材料硬度，且深冷處理溫度降低時涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度提高；進(jìn)一步對比深冷處理前后的TiAlN涂層刀具的車削壽命，表明－190℃深冷處理24h后的刀具壽命相比未深冷處理刀具提高了34.8%[10]。同樣，深冷處理PVDTiAlN/NbN等其他類型涂層的硬質(zhì)合金銑削刀具，可提高其在鈦合金加工時的刀具耐磨性能。

4、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用新刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)難加工材料的高質(zhì)高效加工是現(xiàn)代企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。刀具材料改進(jìn)是刀具技術(shù)發(fā)展的主線，而在現(xiàn)有刀具材料基礎(chǔ)上，通過刀具幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計改善切削性能也是提高切削效率和加工質(zhì)量的有效途徑。國際生產(chǎn)工程科學(xué)院CIRP指出，“由于刀具材料的改進(jìn)，刀具許用切削速度每隔10年提高1倍，而由于刀具幾何結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，刀具壽命每隔10年則提高近2倍”。

相比切削刃數(shù)、刀具角度等宏觀結(jié)構(gòu)，刀具切削刃的微幾何特征是影響其切削性能的更直接因素。山特維克可樂滿的CoroMill? Plura整體式立銑刀利用多刃型結(jié)構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)高進(jìn)給、小徑向切削深度和高切削速度的鈦合金加工，大幅度減少切削熱量的產(chǎn)生，提供了在航空航天鈦合金整體葉盤加工中的刀具解決方案。瓦爾特的高進(jìn)給銑刀M4002刀片的后刀面波浪設(shè)計，提高了鈦合金的切削加工質(zhì)量，并使刀具壽命提高1倍。德國來寶精工設(shè)計的全刃口新型切削刃采用三角斜度槽型設(shè)計，可實現(xiàn)鈦合金抗振動高進(jìn)給加工，效率提高3倍，壽命延長50%。

Wiper刃型有助于實現(xiàn)鈦合金材料高速度、大進(jìn)給、大切削深度的高效切削。其中，瓦爾特Xtra-tec?可轉(zhuǎn)位鉆頭B4213通過使用Wiper修光刃有效改善了表面加工質(zhì)量。通過對比Wiper刀片與普通刀片銑削鈦合金Ti-6Al-4V的加工性能[11]，發(fā)現(xiàn)在獲得相同表面質(zhì)量時，Wiper刀片可以采用大進(jìn)給量切削，相比普通刀片切削效率提高1倍。利用形狀因子法對刀具刃口幾何進(jìn)行參數(shù)化表征，可定量化揭示刃口微結(jié)構(gòu)對加工表面殘余應(yīng)力等完整性指標(biāo)的影響規(guī)律，為刀具的刃口結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備提供指導(dǎo)[12]。

鈦合金切削加工過程中容易在切削區(qū)域積聚大量的切削熱，嚴(yán)重?fù)p害加工工件的尺寸精度與服役性能。為解決切削過程中切削熱量高且難以耗散的問題，山特維克可樂滿、肯納和瓦爾特等刀具廠商提出了高壓內(nèi)冷卻加工技術(shù)和相應(yīng)結(jié)構(gòu)的刀具。通過對比干切削、澆注式冷卻以及高壓冷卻三種加工環(huán)境下的鈦合金車削試驗，分析切削介質(zhì)與出液孔位置對切削力與切削溫度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)刀具冷卻結(jié)構(gòu)會影響鈦合金的加工表面形貌、微觀組織和力學(xué)性能，利用高壓內(nèi)冷卻刀具可以有效解決鈦合金切削過程中的熱量累積和散熱問題，且前、后刀面雙出液孔刀具結(jié)構(gòu)對加工表面完整性的改善尤為顯著[13]。

5、刀具加工狀態(tài)監(jiān)控及切削數(shù)據(jù)庫

刀具切削過程的智能監(jiān)控是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)。隨著人力成本的不斷提高和對自動化生產(chǎn)的迫切需求，無人化車間與黑燈工廠將越來越普遍。刀具切削過程智能監(jiān)控技術(shù)可以實時感知刀具的工作狀態(tài)，在掌握刀具是否存在異常的同時能夠自動調(diào)整工藝參數(shù)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)刀具工作狀態(tài)出現(xiàn)故障時及時做出預(yù)警及決策，從而提高生產(chǎn)效率并保障加工質(zhì)量。因此，無人干預(yù)條件下的刀具狀態(tài)監(jiān)控，是實現(xiàn)切削加工自適應(yīng)調(diào)整的基礎(chǔ)，也是機(jī)床設(shè)備安全工作的保障。

刀具在切削過程中的磨損、破損行為和刀具振動是影響加工表面質(zhì)量的重要因素。刀具磨損是切削過程中刀具的正常損耗形式，刀具磨損量增加易導(dǎo)致表面加工質(zhì)量變差、加工精度下降等，從而造成廢品率上升；刀具破損是刀具的非正常損壞，破損嚴(yán)重時將急劇惡化加工表面質(zhì)量甚至損壞加工設(shè)備[14]。因此，需要對刀具的磨損、破損狀態(tài)進(jìn)行有效實時監(jiān)控，并根據(jù)刀具工作狀態(tài)給出換刀、停車等指令或優(yōu)化后續(xù)工藝參數(shù)。刀具振動是切削刀具與工件之間相互作用的結(jié)果，不穩(wěn)定的刀具振動將影響切削系統(tǒng)的加工穩(wěn)定性，振動嚴(yán)重時（如顫振）可能損壞工件加工表面并產(chǎn)生刀具崩刃。刀具振動問題影響因素眾多、時變性強(qiáng)且建模過程復(fù)雜，一般難以完全避免。

開發(fā)有效的刀具加工狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)對于實現(xiàn)切削過程的自動化運行、保證零件加工質(zhì)量、保護(hù)機(jī)床設(shè)備安全以及提高生產(chǎn)車間的智能化水平具有重要意義。現(xiàn)有智能刀具主要通過安裝某一種或幾種傳感器實現(xiàn)刀具狀態(tài)監(jiān)測功能，例如采用壓電陶瓷薄膜或聲表面波傳感器可以實時監(jiān)測刀具磨損，利用集成熱電偶可以測試切削溫度等。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，更便捷且高效地在切削刀具或加工系統(tǒng)中集成不同功能傳感器，并基于多傳感器融合技術(shù)和人工智能算法對復(fù)雜切削狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)刀具狀態(tài)監(jiān)控與數(shù)控加工系統(tǒng)的多維交互，從而主動調(diào)整加工參數(shù)并充分發(fā)揮刀具與機(jī)床的工作效能，將是未來智能刀具和智能制造的發(fā)展趨勢[15]。

切削數(shù)據(jù)庫是利用計算機(jī)技術(shù)存儲刀具和加工工藝數(shù)據(jù)，按照生產(chǎn)需求迅速獲取特定加工場景下所需刀具信息和切削參數(shù)的數(shù)據(jù)化管理工具。利用切削數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以根據(jù)生產(chǎn)約束條件優(yōu)化切削工藝，實現(xiàn)高效高質(zhì)切削加工。數(shù)據(jù)庫技術(shù)將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)相融合，實現(xiàn)制造資源信息的數(shù)據(jù)化和結(jié)構(gòu)化管理，符合制造業(yè)數(shù)字化的發(fā)展趨勢。基于實驗室試驗數(shù)據(jù)、車間生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)手冊數(shù)據(jù)等，可開發(fā)出涵蓋車、銑、鉆和鏜等系列化加工工藝的刀具數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為用戶提供優(yōu)化的鈦合金等難加工材料的切削刀具、切削用量等加工信息，從而有效提高生產(chǎn)效率。基于加工特征分類建立不同類型零件的加工數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，同時結(jié)合實例推理技術(shù)，將已有切削加工積累的切削數(shù)據(jù)和經(jīng)驗?zāi)Ｐ痛鎯υ跀?shù)據(jù)庫中，可為新加工案例提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考解決方案[16]。進(jìn)一步將切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與CAM軟件集成，可以為數(shù)控編程快速準(zhǔn)確地提供切削數(shù)據(jù)，有利于縮短生產(chǎn)制造周期，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

6、結(jié)束語

隨著切削刀具技術(shù)的發(fā)展，鈦合金高質(zhì)高效切削加工技術(shù)正在逐漸成熟，在鈦合金加工刀具材料與刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計、刀具涂層制備、刀具加工狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫開發(fā)等方面均取得了一定進(jìn)展。

在制造業(yè)快速發(fā)展的背景下，航空航天、汽車及能源等行業(yè)不斷涌現(xiàn)的新材料對切削加工技術(shù)提出了更高的要求，推動刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)的持續(xù)創(chuàng)新。高質(zhì)高效刀具的開發(fā)成為革新加工工藝、提高加工效率和加工質(zhì)量、降低加工成本的重要源動力。隨著五軸工具磨床加工精度的提高以及超快激光等高能束加工技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜結(jié)構(gòu)刀具的精密制造逐步成為現(xiàn)實，從而為改變刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了技術(shù)基礎(chǔ)，將使刀具切削性能得以持續(xù)提升。

同時，在智能制造技術(shù)的推動下，“智能刀具”和“智能加工”逐步得到重視并成為國際研究的熱點和前沿問題，先進(jìn)微電子和傳感技術(shù)在切削刀具中的進(jìn)一步應(yīng)用將有助于加強(qiáng)刀具加工過程的實時監(jiān)測以及智能控制。

因此，在制造業(yè)發(fā)展的需求牽引和機(jī)械、材料以及信息技術(shù)等交叉學(xué)科的協(xié)同驅(qū)動下，開發(fā)具有更優(yōu)切削性能且兼具智能化功能的高性能切削刀具，將成為未來發(fā)展的重要方向。

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